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Giróscopo
Un giróscopo es un sensor que mide la velocidad de rotación con respecto a un marco inercial. En consecuencia, capta todos los cambios de orientación posteriores cuando se gira. Además, dado que el propio marco de coordenadas de la Tierra está girando, un giróscopo colocado en el suelo también detectará la velocidad de rotación de la Tierra: aproximadamente 15° por hora. Los giróscopos suelen expresar su salida en grados por segundo (°/s) o radianes por segundo (rad/s).
¿Cómo funciona?
En aplicaciones prácticas, los sistemas integran las tasas de rotación a alta frecuencia para determinar la orientación del sensor con gran precisión. Por lo tanto, este principio constituye la base de todos los sensores inerciales, incluyendo giroscopios verticales, sistemas de referencia de actitud y rumbo (AHRS), unidades de referencia de movimiento (MRU) y sistemas de navegación inercial (INS).
Además, estos desempeñan un papel fundamental en la determinación de la posición y la velocidad dentro de los marcos de los INS. Asimismo, los giroscopios de mayor rendimiento —normalmente giroscopios de fibra óptica de bucle cerrado (FOG)— miden directamente la rotación de la Tierra sin necesidad de estimación de sesgo. Como resultado, estos sensores pueden determinar el rumbo sin depender de ninguna referencia externa, una funcionalidad conocida como girocompás. Sin embargo, también existen técnicas alternativas para determinar el rumbo, lo que ayuda a reducir las estrictas limitaciones de esta tecnología.
Los efectos de Coriolis y Sagnac en los giróscopos
En cuanto a su principio de funcionamiento, los giróscopos de SBG Systems utilizan dos efectos físicos fundamentales para medir la rotación: el efecto Coriolis y el efecto Sagnac. Concretamente, el efecto Coriolis es utilizado por los giróscopos MEMS. Cuando una masa de prueba vibra en la dirección X, una rotación alrededor del eje Z perpendicular genera una fuerza que provoca un movimiento a lo largo del eje Y.
En consecuencia, varias arquitecturas MEMS implementan este principio, utilizando normalmente barras o anillos vibrantes. En particular, el rendimiento real de estos giróscopos varía según factores como el tamaño y la calidad del elemento MEMS, el encapsulado del sensor y las técnicas de procesamiento mecánico y de señales.
Los giróscopos ópticos, como los FOG, emplean el efecto Sagnac para medir la rotación. En este método, dos fuentes de luz giran en direcciones opuestas: una en sentido horario y la otra en antihorario. Cuando no hay rotación, las ondas de luz llegan simultáneamente; sin embargo, durante la rotación, un trayecto se alarga mientras que el otro se acorta. En consecuencia, esto genera interferencia, la cual se puede medir para deducir la velocidad angular.
Aplicaciones de los giróscopos en la navegación inercial
En conjunto, estos principios permiten que los giróscopos proporcionen datos de movimiento precisos y confiables en una amplia gama de aplicaciones.
Aviación
En aviación, estos son fundamentales para la navegación y estabilidad de las aeronaves. Se utilizan en los siguientes sistemas:
- Indicadores de actitud: Estos instrumentos muestran la orientación de la aeronave en relación con el horizonte, ayudando a los pilotos a mantener los ángulos de cabeceo y alabeo adecuados.
- Sistemas de piloto automático: Los giróscopos proporcionan retroalimentación a los sistemas de piloto automático, lo que permite el control automático del rumbo, la altitud y la trayectoria de la aeronave.
- Sistemas de Navegación Inercial (INS): Los INS se basan en giróscopos para rastrear el movimiento y la orientación de la aeronave, proporcionando información de posicionamiento precisa incluso cuando las señales de GPS no están disponibles.
Navegación marítima
En cuanto a la navegación marítima, los giróscopos ayudan a mantener la estabilidad y el rumbo de barcos y submarinos:
- Girocompases: Los girocompases proporcionan información direccional precisa, independiente del campo magnético terrestre, ayudando a los navegantes a mantener un rumbo constante.
- Los sistemas de estabilización utilizan estos sensores para reducir el balanceo y el cabeceo, mejorando el confort de los pasajeros y garantizando la seguridad.
Espacio
Para naves espaciales y satélites, los giróscopos son esenciales para la orientación y el control:
- Sistemas de Control de Actitud: Los giróscopos ayudan a controlar la orientación de las naves espaciales proporcionando mediciones precisas de los movimientos de rotación, lo cual es crucial para tareas como el acoplamiento, el posicionamiento y las maniobras.
- Unidades de Medición Inercial (IMU): Las IMU, que incluyen giróscopos, proporcionan navegación y estabilización para garantizar un posicionamiento y control precisos en el espacio.
